下载文档原格式
4英寸GaN衬底MOCVD外延高质量AlGaN/GaN HEMT材料研究分析高 楠 房玉龙* 王 波 张志荣 尹甲运 芦伟立 陈宏泰 牛晨亮（河北半导体所）摘 要：本文对金属有机物化学气相淀积法在4英寸GaN衬底上生长出的高质量AlGaN/GaN HEMT外延材料进行了研究分析。
生长过程采用NH3/H2混合气体及H2交替通入的方法对衬底表面进行了预处理，阻隔了界面杂质的扩散。
得益于衬底与外延的高度晶格匹配，GaN材料的螺位错密度降低到1.4×107cm-2，刃位错密度降低到3.0×106cm-2；非接触霍尔测试仪结果显示二维电子气迁移率为2159 cm2/V·s ，说明制备的材料晶体质量高且电学性能优异。
此外，由于衬底与外延之间不存在热失配，使用拉曼光谱仪发现同质外延的GaN E2（TO）峰位与衬底的E2（TO）峰位完全重合，表明同质外延过程中无应力应变产生。
关键词：GaN衬底，AlGaN/GaN HEMTStud y of High-quality AlGaN/GaN HEMT Homo-epitaxial Material on4-inch GaN Substrate by MOCVDGAO Nan FANG Yu-long* WANG Bo ZHANG Zhi-rong YIN Jia-yun LU Wei-liCHEN Hong-tai NIU Chen-liang（Hebei Semiconductor Research Institute）Abstract:High-quality AlGaN/GaN HEMT homo-epitaxial material grown on 4-inch GaN homo-substrate by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) was studied in this paper. An alternation gas model of ammonia/ hydrogen (NH3/H2) mixed gas and H2 gas was employed to thermal treatment of GaN homo-substrate to prevent the spread of impurities. Due to the match of lattices, the density of screw dislocation was as low as 1.4×107cm-2 and the density of edge dislocation reached 3.0×106cm-2. The contactless Hall test results showed that the AlGaN/GaN HEMT material had a two-dimensional electron gas (2DEG) mobility of 2159 cm2/V•s, indicating that the homo-epitaxial AlGaN/GaN HEMT material has high quality and good electrical performance. In addition, thanks to the absent thermal mismatch during the growth, the Raman spectrum test manifested that the peak positions of E2-high for GaN homo-substrate and the epitaxial material were totally coincident, showing that there was no strain in the homo-epitaxial growth.Keywords: GaN substrate, AlGaN/GaN HEMT作者简介：高楠，硕士，工程师，主要研究方向为宽禁带半导体材料生长及相关技术。
泡生法生长蓝宝石晶体1 引言无色蓝宝石(α- Al2O3)属六方晶系,最高工作温度可以达到1900 ℃。
目前以其特殊的物理化学性质、价格优势和晶体尺寸而成为光电子和微电子产业中用量最大的无机氧化物晶体材料,尤其是在本世纪的固体光源革命中,以蓝宝石为衬底的GaN基蓝绿光LED产业的大力发展,不断推动着对蓝宝石生长技术和晶体质量的研究。
此外,由于蓝宝石晶体易于获得大尺寸单晶,而且其热噪音仅为石英玻璃的1.9倍,模式因子Q比石英玻璃高两个数量级,故以蓝宝石晶体作为干涉仪光学介质将极大地提高光学灵敏度。
蓝宝石晶体已经被美国国家自然科学基金委员会作为L IGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)计划中首选的光学材料。
因此高光学质量和大尺寸蓝宝石晶体生长技术仍然是产业界探索和研究的热点内容之一。
2 蓝宝石晶体的生长技术蓝宝石晶体的合成方法主要有焰熔法、助熔剂法和熔体法, 其中熔体法又可分为几种。
焰熔法生长的宝石晶体尺寸较小, 具有大量的镶嵌结构, 质量欠佳；助熔剂法生长的宝石晶体也很小, 且含有助熔剂阳离子, 质量也不太好；而熔体法生长的宝石晶体具有较高的纯度和完整性, 尺寸较大。
其基本原理是将晶体原料放入耐高温坩埚中加热熔化, 然后在受控条件下通过降温使熔体过冷却, 从而生长晶体。
由于降温的受控条件不同, 因此, 从熔体中生长宝石晶体的方法也稍有不同。
目前, 世界上主要的熔体法生长技术有4种晶体提拉法、导模法、热交换法和泡生法。
本文着重报道的是利用泡生法生长无色蓝宝石晶体。
2.1 晶体提拉法晶体提拉法( cr ystal pulling metho d) 由J.Czochralski 于1918 年发明, 故又称 丘克拉斯基法 , 简称Cz 提拉法, 是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法, 能在短期内生长出高质量的单晶。
这是从熔体中生长晶体最常用的方法之一。
摘要第三代半导体材料GaN由于具有优良性质使其在微电子和光电子领域有广阔的应用前景，目前制备GaN的方法主要有分子束（MBE）、氯化物气相外延（HVPE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）。
本文介绍了MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长GaN材料并利用其无掩模横向外延生长GaN 薄膜与同样生长条件下，在未经腐蚀预处理的蓝宝石衬底上外延的GaN 薄膜进行对比测试[1]。
测试分析结果表明，经过腐蚀预处理的GaN 衍射峰的半峰宽及强度、表面平整度、腐蚀坑密度都明显优于未经腐蚀预处理的GaN 薄膜，使原有生长条件下GaN薄膜位错密度下降50%。
并且通过Hal l 测试、x 射线双晶衍射结果、室温PL 谱测试[2]成功地制备出GaN单晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步测试结果。
测试研究发现增加缓冲层厚度、多缓冲层结构可以有效地降低位错密度、提高薄膜质量，其中通过中温插入层结构实验获得了质量最好的GaN 外延层[3]。
关键字：GaN MOCVD 蓝宝石衬底预处理缓冲层外延生长STUDY OF EPITAXIAL LATERAL OVERGROWTH OF GALLIUM NITRIDE ON SAPPHIRE BYMOCVDByHaiqing JiangSupervisor: Prof.Xianying DaiABSTRACTGallium-nitride-semiconductor offers good potential value for application in a wide range of optical display, optical recording and illumination due to its excellent quality. At present, molecular beam epitaxity (MBE), Chloride vapor phase epitaxy (HVPE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used to prepare GaN.This text introduces overgrowth of Gallium-nitride on sapphire by MOCVD and compares the result with that on non-corrode sapphire. The results proved that thinner full-width at half- maximum(FWHM)，higher intensity value of X-ray diffraction，smoother surface and lower density value of the etching pit were received using patterned substrate, which made sure that under the same growth process the density of the dislocations decreased 50%.After that, it also uses Hall Test, X-ray macle diffraction Test, and PL Spectrum Test under room temperature to check the GaN thin-film material. The results showed that multi-buffer-layer structure could decrease the density of the dislocations and improve the quality of the crystal structure. The GaN epilayer with Intermediate-Temperature insert layer had the best results of all the samples.KEY WORDS: GaN MOCVD surface pretreatment on sapphire substrate cushion epitaxial growth第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性1.2现有的GaN 基化合物的制备技术1.3GaN 现有制备技术对比第二章 MOCVD 中影响成膜因素第三章蓝宝石衬底表面预处理3.1蓝宝石衬底与处理的原因3.2实验探究与结果分析第四章研究缓冲层结构及其改进4.1传统缓冲层及其局限4.2实验探究及其结果分析第五章GaN 薄膜的生长研究5.1GaN材料的生长5.2生长的GaN 材料的测试结果第六章结论致谢参考文献第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性GaN 首先由Johnson 等人合成，合成反应发生在加热的Ga 和NH3 之间，600~900℃的温度范围，可生成白色、灰色或棕色粉末(是含有O 或未反应的Ga 所致)[4]。
氮化镓衬底片载流子浓度的测试拉曼光谱法1. 引言1.1 概述在半导体材料研究领域，氮化镓衬底片作为一种重要的基底材料，具有优异的电学和光学性能，因而被广泛应用于光电子器件制备中。
而了解氮化镓衬底片中载流子浓度是非常重要的，因为它直接影响着材料的电学性能和器件的性能表现。
因此，准确测量氮化镓衬底片中载流子浓度成为一个研究的重点。
1.2 文章结构本文主要包含五个部分。
首先，在引言部分介绍研究背景和所面临的问题，并明确文章的目标。
其次，在理论基础部分详细探讨氮化镓衬底片及载流子浓度对其性能影响的相关理论知识。
然后，在实验方法部分阐述了测试样品准备与处理、测试设备及原理以及具体的测试步骤与参数设置等内容。
接着，在结果与分析部分对实验数据进行统计整理，并展示和解读获得的载流子浓度测试结果。
最后，在总结与展望中对本文进行总结，并提出存在问题的进一步改进方向建议。
1.3 目的本文旨在通过使用拉曼光谱法来测试氮化镓衬底片中载流子浓度。
具体地，通过分析材料的光学特性和拉曼散射过程，我们可以得到关于载流子浓度的信息，从而实现一种非破坏性、快速且精确的载流子浓度测试方法。
通过本文的研究，希望能够为探索氮化镓材料中载流子行为及其相关应用提供有力支持，并对新型器件设计和性能优化提供指导。
2. 理论基础2.1 氮化镓衬底片的特性氮化镓（GaN）是一种具有优良电学和光学性能的半导体材料，被广泛应用于高功率与高频率电子器件及光电子器件领域。
在制备氮化镓器件过程中，衬底片的质量对器件性能起着至关重要的作用。
因此，了解衬底片的特性非常必要。
氮化镓衬底片通常由金属有机化合物气相沉积技术生长得到。
其具有优异的晶体结构、较低的缺陷密度和高热导率等特点。
此外，氮化镓还表现出了很强的耐辐照能力和高温稳定性。
这些优良特性使得氮化镓成为高效功率和高亮度发光二极管等器件制备中理想选择。
2.2 载流子浓度的重要性载流子浓度是描述材料导电性能的重要参数之一。
拉曼光谱蓝移拉曼光谱蓝移，是指拉曼散射光谱中吸收峰向较高频率的方向移动或增强。
拉曼散射是一种非弹性光散射过程，当光在介质中传播时，与介质中的分子或晶格发生相互作用，会导致光的频率发生改变。
在拉曼散射中，当光经过介质中分子或晶格时，一部分能量被吸收，然后以不同的频率重新散射出去，产生拉曼光谱。
拉曼光谱蓝移的现象可通过量子力学进行解释。
在分子的拉曼散射过程中，光与分子发生相互作用，使得分子内部的振动与旋转模式产生响应。
通过量子力学的计算，可以得到拉曼散射光的频率与分子的振动频率之间存在一定的关系。
对于散射光的蓝移现象，可能涉及到以下几个因素：首先，拉曼散射光的蓝移与分子的振动模式有关。
分子的振动模式可以分为拉伸和弯曲两种类型，拉伸模式的振动频率通常比较高，而弯曲模式的振动频率较低。
当光与分子相互作用时，如果激发的是拉伸模式的振动，那么散射光的频率将会蓝移。
其次，拉曼光谱蓝移还与分子的电子结构有关。
分子的电子结构会影响分子的化学键的性质，如键长、键强度等。
当光通过分子时，由于分子的电子结构差异，会导致不同的拉曼光谱现象。
具体而言，如果分子的化学键长变短、键强度增加，那么散射光的频率会蓝移。
此外，拉曼光谱蓝移还受到介质的影响。
如果光与分子相互作用时，由于周围介质的性质不同，会导致散射光频率的改变。
典型的例子是拉曼光谱在溶液中的蓝移现象。
在溶液中，溶剂分子与溶质分子相互作用，可以改变溶质分子的振动状态，从而使散射光的频率发生变化。
综上所述，拉曼光谱蓝移是拉曼散射光谱中的一种现象，其产生可能与分子的振动模式、电子结构以及周围介质等因素有关。
拉曼光谱蓝移的研究具有重要的理论意义和实际应用价值，在材料科学、化学、生物医学等领域有着广泛的应用。
蓝宝石鉴定新技术——激光拉曼光谱分析蓝宝石Sapphire 源于拉了文Spphins，代表蓝色，象征忠诚、坚贞、仁爱和诚信。
蓝宝石因闪耀美丽的颜色、晶宝剔透的外观，被古代人们视为神秘的超自然的宝石，意为吉祥之物。
世界上大部分蓝宝石主要分布在澳大利亚、泰国、老掛、柬墙寨、越南。
1957 年，美国贝尔实验室成功用水热法合成红蓝宝石，我国在1999 年成功地用水热法合成出蓝宝石。
当前宝玉石界面临的一项迫切任务是天然宝玉石和人工合成、优化宝玉石的鉴别。
一些传统的宝石鉴定仪器及鉴定方法已难以满足珠宝鉴定的要求。
困难在于，合成宝石具有同天然宝石一样的化学成分和晶体结构，因此也具有同天然宝石一样的物理性质。
从化学成分和物理性质上讲，它们是真正的宝石(一些物理性质还优于天然宝石)。
但宝石其价值不仅取决于其品质，还与产出量及不可再生性有关。
合成宝石生产的途径不同因而价值亦大不相同。
天然和合成蓝宝石从外观上看，合成蓝宝石的颜色更加均匀，但部分合成;蓝宝石因颜色过深，肉眼上看透明度有所降低。
天然的蓝宝石内部裂隙都较多,并且存在天然角状色带、深色或无色的晶体包体。
而合成蓝宝石内部总体较干净, 大部分都能看到气泡，弯曲生长纹不明显。
激光拉曼光谱仪，作为一种微区无损分析和红外吸收光谱的互补技术，拉曼光谱能迅速判断出宝玉石中分子振动的固有频率，判断分子的对成性、分子内部作用力的大小及一般分子动力学的性质，成为宝石鉴定工作者一种新型有效的分析手段。
下图是天然(a)和人造蓝宝石(b)的拉曼谱图，拉曼特征峰有明显的差别，天然蓝宝石具有191cm-1，241cm-1，341cm-1 谱峰，而人造蓝宝石则没有，可以准确判别天然和人造蓝宝石。
目前市场上已有便携式激光拉曼智能检测仪，专为珠宝玉石鉴定设计，可对市面上大多数珠宝玉石，以及相关填充物和仿冒品进行快速鉴定。
tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。
仅供参阅！。
文章编号：1001-9731（2021）03-03081-05缺陷对-Ga2O3薄膜的结构和光学特性的影响符思婕，向琴，赖黎，莫慧兰，范嗣强，李万俊（重庆师范大学物理与电子工程学院，光电功能材料重庆市重点实验室，重庆，401331）摘要：采用射频磁控溅射技术和后期退火在蓝宝石衬底上成功制备了-Ga2O3薄膜。
借助于X射线衍射（XRD）、拉曼散射光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、以及二次离子质谱（SIMS）研究了缺陷对（-Ga2O3薄膜的结构和光学特性的影响。
结果表明，未退火的Ca2O3薄膜呈现非晶态，随高温退火时间逐渐增加，非晶Ca2O3薄膜逐步转变为沿（201）方向择优生长的-Ga2（）3薄膜。
所有Ga2（）3薄膜在近紫外到可见光区的平均透过率都高达95%，相Ga2O3薄膜的光学带隙比非晶态薄膜增加〜0.3eV,且随退火时间的增加，—Ga2O3薄膜的光学带隙也随之变宽。
此外，发现非晶Ga2O3薄膜富含氧空位缺陷，高温退火处理后，—Ga2O3薄膜中的氧空位浓度明显降低，但蓝宝石衬底中的Al极易扩散至Ga2O3薄膜层，并随退火时间的增加Al浓度明显增加，氧空位的降低和Al杂质的增加是导致-Ga2O3薄膜光学带隙变宽的主要原因。
关键词：Ga2（）3薄膜；退火；缺陷；结构和光学特性中图分类号：O482.31文献标识码:A DOI：10.3969/.issn.00197312021.03.0110引言Ga2（）3作为一种新型的宽禁带氧化物半导体材料，不仅具有超宽的带隙（4.8-5.2eV）和高耐压洗损耗特点，而且具有优异的物理和化学特性，近年来受到人们的广泛关注［-4］。
迄今为止，Ga2（）3被揭示具有6个不同的结晶相（a-Ga2O3,Ga2O3,7-Ga2O3,5-Ga2O3, LGa2（）3和K-Ga2（）3）,其中Ga2（）3相的物理和化学性能最为稳定,已被广泛地应用于金属半导体场效应晶体管（MESFET）,金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），肖特基二极管（SBD）［57］等功率器件中。
华中科技大学硕士学位论文蓝宝石衬底上高质量AlN材料生长研究姓名：冯超申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：陈长清2011-01-04华中科技大学硕士学位论文摘 要Ⅲ族氮化物以其优异的特性得到广泛关注，AlGaN体系材料对应发光波长在210-340nm，适合可应用于白光照明、生化检测、消毒净化等领域的紫外发光器件，成为目前研究的热点。
而AlGaN材料，由于体单晶的缺失，一般采用AlN作为生长模板。
因此，要得到适用制作器件的高质量AlGaN材料，制备高质量AlN材料成为必须要首先解决的难题。
AlN薄膜异质外延，常采用SiC、Si或蓝宝石作为衬底材料。
而AlN与这些材料不匹配，晶体质量很差。
本文围绕高质量AlN材料的生长展开，采用两步法生长，主要研究缓冲层生长参数对外延层的影响。
首先详细阐述MOCVD生长原理，本实验所用的表征设备HR-XRD、AFM等及数据处理方法。
根据AlN材料的特性，分析衬底选择、表面预处理、反应腔压力、V/III比等对AlN生长影响，确定相关生长参数。
然后探讨缓冲层生长温度对外延层结晶质量和表面形貌的影响。
在600℃~870℃区间内选取不同温度生长6个样品，而保持其他生长参数不变。
用透射谱、AFM、HR-XRD等检测，发现在690℃~780℃时表面出现原子级台阶，尤其在780℃，晶体质量比较好。
温度较低，位错密度大；温度较高，表面粗糙，出现许多小坑。
进一步改变缓冲层生长时间，来研究缓冲层厚度的作用。
生长3个样品，生长时间为4.4分钟时，样品(0002)面FWHM为116arcsec，(1012)面FWHM为1471arcsec，并且表面出现原子级台阶。
而外延层较薄较厚，表面均未出现台阶，晶体质量和表面形貌均很差。
根据这两组实验结果，分析缓冲层对外延层的作用机理。
最后在前面实验较好的生长模板上，采用连续方式生长一层高温AlN。
通过两组实验，在不同生长温度下，改变TMAl和NH3流量、V/III比等来初步探讨连续生长方式对AlN质量的影响。
蓝宝石衬底介绍led用衬底材料一般有蓝宝石衬底，碳化硅衬底及硅衬底三种，其中蓝宝石衬底应用最广泛，因为其加工方法以及加工成本等与其他两种相比较都有不小的优势。
虽说在晶格匹配上面是氮化镓衬底砷化镓衬底最为匹配，但其生产加工方法要比碳化硅及硅等都更难上加难。
目前，GaN基LED的衬底材料很多，但可用于商业化的衬底只有蓝宝石和碳化硅两种。
Gan、Si和ZnO等其他衬底仍处于研发阶段，离工业化还有一定距离。
一、红黄光led红色LED主要有gap（二元系）、AlGaAs（三元系）和AlGaInP（四元系）。
Gap和GaAs主要用作衬底，蓝宝石Al 2O 3和硅衬底尚未工业化。
1、gaas衬底：在使用lpe生长红光led时，一般使用algaas外延层，而使用mocvd生长红黄光led时，一般生长alingap外延结构。
外延层生长在gaas衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或晶片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。
2.Gap衬底：当使用LPE生长红色和黄色LED时，通常使用Gap外延层，波长范围为565-700nm；当使用VPE生长红色和黄色LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm之间；当使用MOCVD时，通常会生长AlInGaP外延结构。
这种结构解决了GaAs衬底光吸收的缺点，直接在透明衬底上生长LED结构，但缺点是晶格失配。
生长InGaP和AlGaInP结构需要缓冲层。
此外，基于gap的iii-n-v材料体系也引起了广泛的兴趣。
这种材料结构不仅可以改变带宽，而且当只添加0.5%的氮时，也可以改变带隙从间接到直接，并且在红色区域（650 nm）有很强的发光效应。
使用这种结构制造led，可以从Gan P晶格匹配异质结构一步外延形成led结构，并且可以省略GaAs衬底去除和晶圆键合透明衬底的复杂过程。
二、蓝绿光led用于氮化镓研究的衬底材料很多，但只有两种可用于生产的衬底，即蓝宝石al2o3和碳化硅SiC。
